CN111386446A

CN111386446A - 水平计测装置

Info

Publication number: CN111386446A
Application number: CN201880075930.XA
Authority: CN
Inventors: 木下贵博; 杉桥敦史
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: JP2019105526A; JP6822388B2; KR102438958B1; CN111386446B; WO2019116909A1; KR20200087255A; TW201928306A

Abstract

目的是提供一种能够使用微波且比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面的测量的水平计测装置。在水平计测装置(10)，将发送天线(11)及接收天线(12)配置在罩开口部(6)上方而使其从炉内的熔渣面(3)远离，能够抑制非精炼金属及熔渣向发送天线(11)及接收天线(12)的附着，相应地能够比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面(3)的测量。此外，在水平计测装置(10)，通过使发送天线(11)的直径φ₁比接收天线(12)的直径φ₂大、将发送天线(11)及接收天线(12)配设在罩开口部(6)上方，能够抑制熔渣面(3)的水平计测时的不需要反射，能够比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面(3)的测量。

Description

水平计测装置

技术领域

本发明涉及用来计测炉的内部的熔渣面的水平的水平计测装置。

背景技术

为了在转炉制钢工艺中使生产性提高，当将氧等的气体向熔渣面喷吹时，提高送氧速度、缩短吹炼所需要的时间是重要的。但是，如果提高送氧速度，则不仅发生溢流(slopping)(起泡沫的熔渣从炉口溢出的现象)或喷溅(spitting)(由于喷流而熔渣飞散的现象)而导致成品率的下降，还有可能发生非精炼金属或熔渣附着到炉口或设在转炉的炉口上方的烟道(以下称作排气罩)等而阻碍作业等的问题。因而，为了实现生产性的提高，测量转炉的内容物的水平、正确地实时掌握作为溢流的预兆的熔渣的起泡沫动态等是重要的。

因此，例如如专利文献1所示，提出了利用使用微波的雷达方式的水平仪来测量被装入到转炉中的熔融物的浴面水平的方法。这里，如果熔渣起泡沫，则微波的反射率较大地下降，所以需要使用指向性较高的天线，因此在专利文献1中，使用将天线的前端切口且将天线的指向性朝向炉的中心方向的一对天线。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016－180126号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1所示的方法中，为了将天线的指向性朝向炉的中心方向，需要将天线前端插入到转炉上部的排气罩内部。由于非精炼金属或熔渣飞散在转炉吹炼(以下，也简单称作吹炼)中的排气罩内，所以这些非精炼金属或熔渣(炉渣)也附着在这些排气罩内设置的天线前端，有可能阻碍通过天线进行的微波的测量。因此，在专利文献1中，有可能不能正确地进行吹炼中的熔渣面的测量。

此外，由于在转炉或排气罩的上方空间中配置有各种配管或机械等，所以不能充分地确保用来将天线设置到转炉或排气罩的附近的空间，结果有不得不将天线从转炉或排气罩离开距离地设置的情况。在这样的情况下，有来自天线的微波由转炉上方的各种障碍物反射的情况，有可能不能检测到真正想要检测的来自熔渣面的反射微波，不能正确地进行熔渣面的测量。

本发明是鉴于上述那样的问题而做出的，目的是提供一种能够使用微波比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面的测量的水平计测装置。

用来解决课题的手段

本发明的水平计测装置，是计测炉的内部的熔渣面的水平的水平计测装置，构成为，具备：罩开口部，在设在上述炉的上方的排气罩的与上述熔渣面对置的位置处开口；发送天线，设在上述罩开口部的上方，经由上述罩开口部朝向上述炉的内部照射微波；接收天线，与上述发送天线分体设地在上述罩开口部的上方，经由上述罩开口部接收来自上述炉的内部的反射微波；透镜部，设在上述发送天线及上述接收天线的各前端，提高上述发送天线及上述接收天线的天线增益；以及水平计算部，根据上述反射微波计算上述熔渣面的水平；上述发送天线的直径比上述接收天线的直径大；当设上述发送天线的直径为φ₁，设上述罩开口部的直径为d时，满足φ₁>d/2。

发明效果

根据本发明，由于将发送天线及接收天线配置在罩开口部上方而使其远离炉内的熔渣面，所以能够抑制非精炼金属及熔渣附着在发送天线及接收天线，相应地能够比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面的测量。此外，根据本发明，通过将发送天线及接收天线做成分体、使发送天线的直径比接收天线的直径大，从而能够抑制熔渣面的水平计测时的不需要反射，能够比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面的测量。进而，根据本发明，通过由透镜部提高发送天线及接收天线的各天线增益，能够使熔渣面的水平计测时的S/N比提高。

附图说明

图1是表示使用本发明的水平计测装置的转炉的结构的概略图。

图2是用于说明发送天线及接收天线的配设位置的概略图。

图3是表示距离与波束直径的关系的图。

图4是表示发送天线直径与照射区域直径的关系的图。

图5是表示发送天线直径与干扰长度的关系的图。

图6是表示发送天线直径及接收天线直径相同的比较例1的水平计测装置的概略图。

图7是表示距离与AD输入的关系的曲线图。

图8是表示使用收发天线的比较例2的水平计测装置的电路结构的电路图。

图9是表示本发明的水平计测装置的电路结构的电路图。

图10是表示其他实施方式的发送天线及接收天线的结构的概略图。

图11是用于说明其他实施方式的发送天线及接收天线的配设位置的概略图。

图12是表示其他实施方式的发送天线直径与干扰长度的关系的图。

具体实施方式

<关于本发明的水平计测装置>

图1是表示本发明的水平计测装置10和使用本发明的水平计测装置10的转炉制钢工艺中的转炉1的结构的概略图。

在转炉制钢工艺中，将铁液2向转炉1的内部(以下，也简单称作炉内)装入，通过对该铁液2从吹管4将氧等的气体吹入，进行铁液2的成分调整来生成熔钢。在该熔融物的表面，伴随着处理的进行而生成熔渣。本发明的水平计测装置10能够实时地计测这样在炉内形成的熔渣面3的水平。在本发明中所述的“熔渣面”，是指在炉内露出到外部的熔融状态的熔渣的表面。熔渣面3的“水平”，是指从炉内底部或规定基准位置看到的、炉内的熔渣面3的高度。

在由转炉1进行的处理中，由于产生蒸气及粉尘等，所以为了不使产生的粉尘等释放到外部环境中，设置有排气罩5，该排气罩5在转炉1的上方开口的炉口附近具有端部，该排气罩5向上方延伸。在该排气罩5，除了用来供吹管4向转炉1内插入的吹管用开口部以外，还在炉口上方开口有罩开口部6。此外，在罩开口部6的周围，作为配管状的构造物而设有向上方延伸设置的开口形成部7。

开口形成部7使转炉1上方的上部自由空间与炉内经由罩开口部6而连通，例如能够将副吹管(未图示)根据需要而经由罩开口部6向炉内插入。

罩开口部6在排气罩5的上壁面、且与炉内的熔渣面3对置的位置处开口，从开口形成部7的上方插入的棒状的副吹管能够穿过罩开口部6而配置到熔渣面3上。

除了这样的结构以外，本发明的水平计测装置10在被插入了副吹管的罩开口部6的上方还具有开口有天线设置开口部9a的天线设置部9。在天线设置部9，根据在转炉中进行的工艺的种类，适当使用移动机构设置天线部10a或副吹管装置的某个。当设置啦天线部10a时，经由天线设置开口部9a照射并接收微波，但另一方面，在设置副吹管装置的情况下，成为经由天线设置开口部9a、开口形成部7及罩开口部6将副吹管朝向熔渣面或熔钢插入。因此，天线设置开口部9a的直径、开口形成部7的开口的直径及罩开口部6的直径为了使副吹管容易地插入而以大致相同的大小形成。此外，天线设置开口部9a、罩开口部6及开口形成部7的开口被形成为，其中心位置在铅直方向上以直线状排列。

水平计测装置10在罩开口部6中没有插入副吹管时，使天线部10a配置在天线设置部9的天线设置开口部9a。水平计测装置10具有水平计算部10b，由该水平计算部10b根据以从天线部10a朝向炉内发送的发送信号为基础而接受到的接收信号进行运算，能够计算熔渣面3的高度从而进行熔渣面3的水平计测。这里，天线设置部9的天线设置开口部9a其直径与罩开口部6的直径d大致等同(大致相同直径)，并且其中心轴被配置在与罩开口部6的中心轴相同的轴上。

对于罩开口部6的直径d，在防止来自转炉1的蒸气、非精炼金属及熔渣的飞散泄漏到排气罩5外、根据处于转炉1及排气罩5的上方的各种配管及机械等的配置而被容许的范围内，基于使得副吹管的使用变容易、并且基于水平计测装置10中的天线部10a的天线特性、微波的波长、熔渣面3的雷达反射截面积等，罩开口部6的直径d被选择为适当的大小。

天线设置部9在距处于形成在罩开口部6周边的开口形成部7的最上部的凸缘上部7a为规定的高度处具有天线设置开口部9a，使设置在天线设置开口部9a处的天线部10a从罩开口部6远离。由此，相应于天线设置部9使天线部10a从炉内的熔渣面3远离，从熔渣面3飞散的非精炼金属及熔渣难以到达天线部10a，能够抑制非精炼金属及熔渣附着到天线部10a。此外，由于将距离的自由度取得较高，所以不易受处于转炉1或排气罩5的上方的各种配管及机械等的配置束缚。

在该实施方式的情况下，在天线设置部9，除了设置有天线部10a以外，还在该天线部10a与炉内之间设有隔热板14。隔热板14由例如氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃O₄)、二氧化硅(SiO₂)等那样微波能够透过的无机陶瓷形成。由此，隔热板14能够在天线部10a与炉内之间进行微波的收发，并且能够减少来自炉内的热而防止天线部10a由于热而损伤。

天线部10a具备：发送天线11，将微波经由罩开口部6朝向炉内照射；以及接收天线12，与该发送天线11分体地设置，将从炉内的熔渣面3反射并穿过罩开口部6的反射微波接收。另外，作为被朝向炉内照射的微波的频率，根据炉内较窄、并且熔渣面3的微波的反射率较小的特性，希望是超过10[GHz]且90[GHz]以下，优选的是35[GHz]以上85[GHz]以下。

除了这样的结构以外，发送天线11其直径被形成为比接收天线12的直径大。发送天线11及接收天线12分别是，例如圆锥型的喇叭形天线，将开口的扩径的前端朝向炉内，使扩径的前端相邻地配置在天线设置开口部9a的面内。在本实施方式的情况下，发送天线11被形成为扩径的前端处的直径比接收天线12的扩径的前端处的直径大。将发送天线11的前端的直径与接收天线12的前端的直径相加的距离与罩开口部6的直径d相同。发送天线11及接收天线12的前端跨作为与罩开口部6大致相同直径的天线设置开口部9a的径向的大致全域而配置。

在发送天线11及接收天线12，在各前端设有例如由聚四氟乙烯(特氟隆(注册商标))构成的透镜部13。发送天线11通过透镜部13使向熔渣面3照射的微波收敛，由此能够提高发送天线11的天线增益。此外，接收天线12通过透镜部13使来自熔渣面3的反射微波收敛，由此能够提高接收天线12的天线增益。

这里，水平计测装置10能够进行利用微波的FM－CW方式的水平计测。在此情况下，向炉内照射的微波的频率调制的宽度和该微波的扫掠周期被设定为预先规定的值。从发送天线11朝向炉内照射的微波(以下，也简单称作发送波)的频率随着时间的经过而连续地且直线地变化。

另一方面，由作为计测对象物的熔渣面3反射并被接收天线12接收的反射微波(以下，也简单称作接收波)产生与从接收天线12到熔渣面3的距离(以下，也称作离开距离)成比例的延迟Δt(秒)。结果，在某个同时刻的发送波与接收波之间，产生与离开距离对应的频率的差Δf(Hz)。如果这样的发送波及接收波被混合器混合，则成为具有相当于Δf的频率成分的差频信号(以下，也称作差拍波或差拍信号)。

发送波与接收波的时间的延迟Δt相当于微波从发送天线11在熔渣面3反射而回到接收天线12所需要的时间。所谓计算离开距离的处理与计算差拍信号的频率(差拍频率△f)是等同的。这里，在现实的计测环境中，成为在由混合器生成的差拍信号(差拍波)中混合了一些频率成分的复合波的情况较多。

因而，为了求出这样的由多个频率成分构成的差拍信号的频率，水平计算部10b，基于由多个频率成分构成的差拍信号进行傅里叶变换处理，在生成频谱信号后，生成通过主峰给出想要根据频谱信号求出的离开距离的距离波形，能够基于离开距离确定炉内的熔渣面3的水平。

此外，从天线部10a(即，从天线设置部9)到与炉内连通的罩开口部6的距离越是远离，飞散到排气罩5内的非精炼金属及熔渣越难以到达天线部10a及隔热板14。由此，能够抑制分散到排气罩5内的非精炼金属及熔渣附着到天线部10a及隔热板14，能够防止成为测量熔渣面3的障碍。

另一方面，从天线部10a到罩开口部6的距离越是远离，从发送天线11发出的发送波的直径越扩大。在这样发送波扩大的情况下，发送波在到达炉内之前，照在处于形成在罩开口部6的周边的开口形成部7的上部的凸缘上部7a。结果，发生由熔渣面3反射的微波以外的不需要反射，所以熔渣面3的测量被妨害。

所以，研究了即使在从天线设置部9到罩开口部6的距离离开的情况下也能够抑制不需要反射的发送天线11的直径(以下，也称作发送天线直径)。

已知从在前端设有透镜部13的发送天线11放射的微波通常遵循下式那样的高斯波束的传输。

[数式4]

其中，ω(x)表示处于距天线为距离x的位置处的波束半径，ω₀表示波束腰半径，λ表示微波的波长。如果对从发送天线11照射的微波应用，则ω₀相当于距发送天线11的距离是0的波束半径。

接着，如图2所示，设发送天线11的直径(以下，也称作发送天线直径)为φ₁[m](＝2ω₀)，设从发送天线11到开口形成部7的凸缘上部7a的高度位置的距离r处的发送波的照射区域直径为φ₃[m](＝2ω)，使用上述数式4计算照射区域直径φ₃，则照射区域直径φ₃通过使用的微波的频率f[Hz]而变化，由下式表示。其中，c为光速[m/s]。

[数式5]

使用上述数式5，当设微波(发送波)的频率为40[GHz]，设发送天线直径φ₁为20～280[mm]时，求出与距离r对应的发送波的照射区域直径φ₃，得到图3所示那样的结果。

根据图3可知，发送天线直径φ₁越小，近距离处的照射区域直径φ₃越小，发送天线直径φ₁越大，近距离处的照射区域直径φ₃越大。但是，随着从发送天线11向远方离开(距离r变大)，该趋势逆转，发送天线直径φ₁越大，照射区域直径φ₃越小。

因此，由于从发送天线11的前端到开口形成部7上部的凸缘上部7a的高度位置的通常的距离r是3～5[m]左右，所以显然在这样的通常的炉的从发送天线11离开了3～5[m]的凸缘上部7a的位置，存在用来使照射区域直径φ₃变小的最优的发送天线直径φ₁的范围。

对于发送天线直径φ₁计算距离r＝4[m]处的照射区域直径φ₃，得到了图4所示那样的结果。在距离r＝4[m]，当发送天线直径φ₁是195[mm]时，照射区域直径φ₃成为最小。此外，在距离r＝3[m]的情况下，当发送天线直径φ₁是169[mm]时照射区域直径φ₃成为最小，在距离r＝5[m]的情况下，当发送天线直径φ₁是219[mm]时照射区域直径φ₃成为最小。因而，发送天线直径φ₁优选的是当距离r是3～5[m]时为169～219[mm]。

接着，在将罩开口部6的直径d根据转炉吹炼设备上的制约而设定的情况下，如图2所示，优选的是设为发送天线直径φ₁与接收天线直径φ₂的和等于直径d那样的天线尺寸。由此，能够有效地利用罩开口部6的开口面积，所以能够使发送天线11及接收天线12的收发的效率变好。

此时，通过发送天线直径φ₁的值而发送天线11的中心轴Z1和罩开口部6(即，天线设置开口部9a)的中心轴Z2的水平方向的距离变化。结果，与炉内连通的开口形成部7上部的凸缘上部7a与来自发送天线11的发送波的干扰量也变化。所以，如图2所示，考虑发送天线直径φ₁和中心轴Z1、Z2的位置的变化，计算出凸缘上部7a与照射区域直径φ₃干扰的长度(以下，称作干扰长度)Li＝φ₃/2－φ₁/2。

在图5中表示距离r＝4[m]的干扰长度Li的计算结果。发送天线直径φ₁越大，照射区域直径φ₃越小，并且由于发送天线11的中心轴Z1接近于罩开口部6的中心轴Z2，所以干扰长度Li变小。

这里，如对于与图1的对应部分赋予相同的标号而表示的图6那样，作为比较例1，对具有与发送天线111的直径和接收天线112的直径相等的天线部100a的水平计测装置100进行研究。这里，在水平计测装置100，如上述那样，基于根据来自发送天线111的发送波和接收天线112的接收波所得到的差拍信号进行傅里叶变换处理，生成以横轴为频率(Hz)的频谱信号。

接着，基于得到的频谱信号，生成将横轴变换为距离[m]、以纵轴为AD输入[dB]的图7那样的波形(以下，也称作“距离波形”)。在该距离波形中，在距离为18～25[m]处给出主峰的位置与想要求出的离开距离(从天线部100a到熔渣面3的距离)对应。

在将发送天线111及接收天线112设为分体的情况下，在空间上分割的发送天线111及接收天线112间，发生微小的发送信号的绕回。另外，在图7中，不以发送天线111及接收天线112的前端为基准(距离0[m])，而以生成距离波形的水平计算部10b内的AD变换器(未图示)的位置作为基准(距离0[m])。由此，在图7中，表示绕回波的峰值在横轴中在距离0[m]处没有出现，而以距离1[m]左右偏差出现。

在图7中，在横轴的距离2～4[m]前后出现的峰值表示从开口形成部7上部的凸缘上部7a的不需要反射。

通常，由于不可避免地发生绕回波，所以在天线部100a的电路设计上，进行感度等的设计，以便在发生绕回波的状态下能够进行需要的反射微波的测量。因此，只要能够使不需要反射的大小比绕回波的大小小，就能够没有问题地测量想要的距离，所以使不需要反射的大小相对于绕回波的大小变小是重要的。

如图7所示，对于发送天线111的直径与接收天线112的直径相等的水平计测装置100而言，得到从凸缘上部7a的不需要反射的大小与绕回波的大小大致相等的结果。因此，只要与该比较例1的状态相比能够减小不需要反射，就能够进行距离的测量。

由于图7所示的不需要反射通过具有干扰长度Li而发生，所以可以想到，如果与图7的情况相比减小干扰长度Li，则不需要反射也变小。因而，为了将不需要反射抑制在绕回波以下，根据图5，可以增大发送天线直径φ₁、即，使发送天线直径φ₁比接收天线直径φ₂大(φ₁>d/2)。

这里，通过发明者们的研究表明，熔渣面3的反射率或熔渣面3的雷达反射截面积在熔渣起泡沫的情况则下降，如果起泡沫的熔渣面3的位置远到一定以上，则成为不能测量。对于这一点，以下使用雷达方程式进行说明。

当设雷达反射截面积为σ[m²]、作为水平计测装置10的性能的发送输出功率为P_t[mW]、发送天线增益为G₁、接收天线增益为G₂、炉口上方环境下的每1[m]的微波的透过率为T、微波的波长为λ[m]，则由熔渣面3反射并回到接收天线12的接收信号强度P_r[mW]由下述的数式6给出。另外，这里的R表示形成了作为计测对象的熔渣面3时的从接收天线12到熔渣面3的距离(离开距离)[m]。此外，由于发送天线11与接收天线12之间的距离相比从接收天线12到熔渣面3的离开距离R足够短，所以也可以将从发送天线11到熔渣面3的离开距离也看作R。

[数式6]

如果该接收信号强度P_r[mW]比水平计测装置10的最小接收功率S_min的10倍大，则在水平计测装置10能够进行反射微波的测量。如果将其用不等式表示，则成为下述的数式7。

[数式7]

这里，发送天线增益G₁由发送天线11的前端处的开口面积决定，接收天线增益G₂由接收天线12的前端处的开口面积决定。例如在使用圆锥型的喇叭形天线的情况下，在将其天线直径(也称作开口直径)设为φ_n(n＝1、2，φ₁表示发送天线直径，φ₂表示接收天线直径)[m]，天线增益G_n(n＝1、2，G₁表示发送天线增益，G₂表示接收天线增益)时，可以用下述的数式8表示。

[数式8]

η是发送天线11及接收天线12的口径效率。此外，口径效率η如果是开口直径与天线的长度的比相同的圆锥喇叭形天线则相同，这里，发送天线11及接收天线12的口径效率η相同。表示反射微波的可测量条件的上述数式7如果使用上述数式8，则可以如下述的数式9这样表示。

[数式9]

这里，首先将在炉口上方设置有收发共用的收发天线的通常的水平计测装置(后述)作为比较例2，研究比较例2是否满足上述数式9中表示的可测量条件。在比较例2的水平计测装置，最小接收功率S_min是10^－8[mW]左右。在该比较例2的水平计测装置，作为通常的参数，如果将发送输出功率P_t设为10[mW]，将微波的波长λ设为6.67[mm](频率45[GHz])，将收发天线的口径效率η设为0.25，将微波的透过率T设为0.98，将熔渣面的雷达反射截面积σ设为10^－4.3[m²]，将形成有熔渣面3时的从收发天线到熔渣面3的离开距离R设为25[m]，将收发天线的直径φ(由于仅设有收发天线，所以φ＝φ₁＝φ₂)设为250[mm]，则不满足表示可测量条件的上述数式9的不等式。因此，对于该水平计测装置，当设为上述那样的发送输出功率P_t、波长λ、口径效率η等时，不能始终测量吹炼中的熔渣面3的水平。

由此，为了始终能测量熔渣面3的水平，需要使上述数式9的左边变大、或使右边变小。

首先，对上述数式9的左边进行研究。作为在左边能够变更的参数，有天线增益G_n(数式8)和发送输出功率P_t。这里，使用图8对使发送输出功率P_t变大的情况进行研究。图8表示在炉口上方设置有收发共用的收发天线105的、作为比较例2的水平计测装置101的电路结构。如图8所示，作为比较例的水平计测装置101在将从振荡器102送出的发送信号用功率放大器103放大后，经由循环器104向收发天线105送出，从该收发天线105朝向炉内照射微波。

对于水平计测装置101而言，如果来自炉内的反射微波被收发天线105接收，则作为接收信号而经由循环器104被向低噪声放大器106送出。水平计测装置101将接收信号用低噪声放大器106放大，由混合器107将该接收信号与从振荡器102送来的作为参照信号的发送信号相乘，生成差拍信号。水平计测装置101在将差拍信号用IF放大器108放大后，由AD变换器109执行模拟数字变换处理，将得到的信号向个人计算机(PC)110送出。个人计算机(PC)110对从AD变换器109接受到的信号进行傅里叶变换处理等，生成通过主峰给出从收发天线105到熔渣面3的距离(离开距离)的距离波形，能够基于离开距离确定炉内的熔渣面3的水平。

这里，循环器104拥有隔离特性，例如在循环器104的隔离性是15[dB]的情况下，即使20[dBm]的发送信号被从功率放大器103传送给循环器104，也发生5[dBm]向接收侧(低噪声放大器106侧)绕回的信号。在设有循环器104的水平计测装置101，如果使发送输出功率P_t变大，则在循环器104中，从发送侧直接向接收侧绕回的信号也变大。

此时，由于在低噪声放大器106的动作区域(能够将信号放大的最大功率)及AD变换器109的动态范围中有上限，所以在超过了该上限的信号部分中发生畸变。畸变的信号由于拥有较高的频率成分，所以在测量频率(差拍信号的频率)区域中成为较大的噪声(宽频带噪声)的原因。结果，最小接收功率S_min也对应于噪声而变大，结果，不能满足上述数式9的不等式。

接着，对上述数式9的左边的天线增益G_n(数式8)进行研究。处于炉口上方的罩开口部6的直径d需要限制为不给排气罩5的排气量带来影响之程度的大小(例如600[mm])。例如，如果对于罩开口部6的直径d要尽可能使用开口尺寸较大的收发天线105，则收发天线105的天线直径φ(由于仅设有收发天线105，所以φ＝φ₁＝φ₂)由d(罩开口部6的直径)给出。

但是，在设罩开口部6的直径d为作为设备制约的2倍左右的大小的600[mm]，将收发天线105的频率设为对于熔渣面3的水平计测最优的45[GHz]的情况下，匹配于该罩开口部6的直径d而能够设置的收发天线105的天线增益G为10^4.9，大致是最大的。因此，只要不增大罩开口部6的直径d，进一步增大天线增益G就是不可能的。即使使用拥有10^4.9的天线增益G的收发天线105，也不能满足上述数式9的可测量条件，也不能始终测量熔渣面3的水平。

所以，本发明者们研究了减小最小接收功率(水平计测装置10的感度)、即，使上述数式9的右边变小的方法。在本发明的水平计测装置10，通过将以往的收发天线105分离为发送专用的发送天线11和接收专用的接收天线12，将循环器104省去，降低了作为发生噪声的原因的电路内的发送信号向接收侧的绕回。这里，图9表示分体地设有发送天线11及接收天线12的本发明的水平计测装置10的电路结构。

如图9所示，在水平计测装置10，在将由振荡器22产生的发送信号用功率放大器23放大后，将其向发送天线11送出，从发送天线11向炉内照射微波。水平计测装置10在通过接收天线12接收到来自炉内的反射微波的情况下，作为接收信号向低噪声放大器26送出，由该低噪声放大器26将接收信号放大后，由混合器27将该接收信号与从振荡器22送来的作为参照信号的发送信号相乘，生成差拍信号。

水平计测装置10在将差拍信号用IF放大器28放大后，由AD变换器29执行模拟数字变换处理，将所得到的信号向个人计算机(PC)30送出。个人计算机(PC)30对从AD变换器29接受到的信号执行傅里叶变换处理等，生成通过主峰给出从接收天线12到熔渣面3的距离(离开距离)的距离波形，能够基于离开距离确定炉内的熔渣面3的水平。

这样，在水平计测装置10，由于没有设置循环器104，所以不会发生循环器104中的发送信号的绕回。另一方面，在空间上分割的发送天线11及接收天线12间的隔离性是30[dB]左右。但是，收发的隔离性从使用收发天线105时的15[dB]改善为30[dB]，发送信号的绕回降低到－20[dBm]。结果，能够防止低噪声放大器26及AD变换器29中的信号的畸变的发生。

如果没有畸变，则通过绕回信号发生的差拍频率被限定于频率较低的区域，所以能够与基于来自炉内的反射微波的差拍频率区别。在水平计测装置10中，能够使用未图示的高通滤波器，将通过绕回信号在较低的频率区域中发生的噪声除去，在接收天线12中发生的绕回信号完全不给熔渣面3的水平测量带来影响。此时，水平计测装置10的最小接收功率S_min为10^－14[mW]。

例如，在水平计测装置10中，如果设将放大后的差拍信号进行模拟数字变换处理的AD变换器29的比特率为24[bit]，则其动态范围为146[dB]。由于从发送天线11向接收天线12的空间性的绕回信号的强度为－20[dBm]，所以如果将用来进行AD变换处理的动态范围作为上限以使其不畸变，则能捕捉到－164[dBm]以内的接收信号。进而，如果将采样频率设为2[MHz]，则由k_BTaB(k_B：波尔兹曼(Boltzmann)常数，Ta：温度，B：带宽)给出的频带噪声在Ta＝300[K]时是－110[dBm]，通过在2048点进行FFT，降低30[dB]，由此最小接收功率S_min改善到10^－14[mW](＝－140[dBm])。

在将发送天线11及接收天线12分体地设置的情况下，发送天线直径φ₁及接收天线直径φ₂如图2所示，使用罩开口部6的直径d，可以表示为φ₁+φ₂＝d。因此，与使用收发共用的收发天线105的情况(φ＝d)相比，天线增益G_n变小为10³左右。但是，即使天线增益G_n变小，在将最大的离开距离R设为25[m]的情况下，如果计算接收信号强度则为10^－11[mW]，与作为最小接收功率S_min的10^－14[mW]的10倍相比足够大，所以也始终能够测量熔渣面3的水平。

根据上述，在对开口的大小有制约的罩开口部6的上方设置天线的情况下，在以往的考虑方式中，为了增大天线增益，以使天线尺寸为包含在罩开口部6的直径d内的最大尺寸的方式配设收发共用的1个收发天线105。相对于此，在本发明的水平计测装置10中，设置分体的发送天线11及接收天线12。由此，在水平计测装置10中，不需要以往通过使用收发天线105而需要的循环器104，通过抑制发送信号的绕回而降低噪声，能够遍及吹炼全过程进行S/N比高的水平计测。

但是，如上述那样，在使发送天线11及接收天线12为分体的情况下，发送天线直径φ₁及接收天线直径φ₂在与罩开口部6的直径d之间有φ₁+φ₂＝d、即φ₂＝d－φ₁的关系(图2)。即，由于感度的改善和天线增益G_n处于权衡的关系，所以也可能有使用收发共用的收发天线105时S/N比变大的直径d的条件。所以，对与配设收发天线105相比、配设发送天线11及接收天线12的情况下更好的直径d的条件进行研究。

在使用收发共用的收发天线105的比较例2的情况下，最小接收功率S_min是10^－8[mW]，天线直径φ是d。因而，收发共用的收发天线105中的可测量条件从上述数式9成为下述数式10那样。

[数式10]

另一方面，在使用将收发分离的发送天线11及接收天线12的情况下，最小接收功率S_min是10^－14[mW]。因而，将收发分离的发送天线11及接收天线12中的可测量条件从上述数式9成为下述数式11那样。其中，发送天线直径φ₁及接收天线直径φ₂优选的是使用的微波的波长以上，优选的是满足φ₁≥λ且φ₂＝d－φ₁≥λ，即λ≤φ₁≤d－λ。

[数式11]

所以，在使用将收发分离的发送天线11及接收天线12的情况下，S/N比成为最高的直径d的条件是可以将上述数式10及数式11组合而如下述数式12那样表示。另外，如上述那样，R表示形成作为计测对象的熔渣面3时的从接收天线12到熔渣面3的距离(离开距离)，λ表示微波的波长，P_t表示水平计测装置10中的微波的发送输出功率[mW]，σ表示熔渣面3的雷达反射截面积，T表示1[m]附近的微波的透过率，η表示接收天线12的口径效率。其中，λ≤φ₁≤d－λ。

[数式12]

<作用及效果>

在以上的结构中，在水平计测装置10，与发送天线11分体地设置接收天线12，在这些发送天线11及接收天线12的各前端分别设置用来提高各天线增益的透镜部13。由此，在水平计测装置10中，由透镜部13提高了发送天线11的发送天线增益G₁和接收天线12的接收天线增益G₂，能够使熔渣面3的水平计测时的S/N比提高。

此外，在水平计测装置10，在排气罩5上设置形成使上部自由空间与炉内连通的罩开口部6的开口形成部7，并且在罩开口部6的上方设置天线设置部9，通过天线设置部9使发送天线11及接收天线12的双方配设在罩开口部6上方。在水平计测装置10，通过将发送天线11及接收天线12分体地设置，在电路内，发送信号不会直接绕回到接收侧，能够防止通过绕回信号产生的噪声的发生。

水平计测装置10，由于将发送天线11及接收天线12配置在罩开口部6上方，使其从炉内的熔渣面3远离，所以能够抑制非精炼金属及熔渣向发送天线11及接收天线12的附着，相应地，能够比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面3的测量。

此外，在水平计测装置10中，通过使发送天线11的直径φ₁比接收天线12的直径φ₂大，做成使发送天线11及接收天线12相邻地配设在罩开口部6上方的结构，能够抑制熔渣面3的水平计测时的不需要反射，能够比以往更正确地进行吹炼中的熔渣面3的测量。

进而，在水平计测装置10中，通过考虑发送天线11及接收天线12的天线特性及熔渣面3的特性而将罩开口部6的直径d选定为对于使S/N比提高最优的直径d，从而即使配设发送天线11及接收天线12的双方，也能够使熔渣面3的水平计测时的S/N比提高。

具体而言，通过直径d满足由上述数式12表示的条件，即使将发送天线11及接收天线12的双方配设在罩开口部6上方，也能够使熔渣面3的水平计测时的S/N比提高。

<其他实施方式>

在上述的实施方式中，对将1个发送天线11和1个接收天线12配设在罩开口部6上方的情况进行了叙述，但本发明并不限于此，如图10及图11所示，也可以做成在1个发送天线31的周围设置2个以上的接收天线32、将它们配设在罩开口部6上方的结构。

例如，如图10所示，在天线设置开口部9a，以将发送天线31包围的方式等间隔地配设有多个接收天线32。在天线设置开口部9a，以各接收天线32的周缘与发送天线31的周缘接触的方式而配置。此外，如图11所示，在天线设置开口部9a，以使发送天线31的中心轴Z1和罩开口部6的中心轴Z2被配置到同一轴上的方式而配设有发送天线31。由此，罩开口部6的直径d、发送天线31的直径φ₁、接收天线32的直径φ₂具有d＝φ₁+2φ₂的关系。

在此情况下，干扰长度Li被表示为Li＝φ₃/2－d/2。在图12中表示d＝300[mm]的情况下的干扰长度Li。在干扰长度Li为0以下的情况下，照射区域与凸缘上部7a不干扰。在设从发送天线31到开口形成部7的凸缘上部7a的高度位置的距离r为4[m]，并且设d＝300[mm]的情况下，当发送天线31的直径φ₁为148～282[mm]时，干扰长度Li为0以下。如果将这样的条件总结，则为Li＝φ₃/2－d/2≤0，为φ₃≤d。因而，根据上述数式5，可以如下述的式子那样表示。

[数式13]

其中，接收天线32的直径φ₂通过(d－φ₁)/2给出，它需要拥有微波的波长以上的大小。这样的条件是(d－φ₁)/2≥λ。此外，发送天线31的直径φ₁也需要拥有微波的波长以上的大小。因而，如果上述条件也符合，则可以表示为λ≤φ₁≤d－2λ。

进而，上述数式13的不等式有解的条件是，下述数式14与具有1个以上的解的条件相同。

[数式14]

在数式14中，考虑到φ₁、c、r、f、d都是正值，如果将φ₁ ²替换为φ′，将上述数式14变形，则成为下述的数式15。

[数式15]

在上述数式15中有1个以上的解的条件由以下的数式16表示，进而，数式16可以如数式17那样表示。罩开口部6的直径d需要满足上述数式13及下述数式17的条件。在具有以上那样的结构的其他实施方式中，也能够得到与上述实施方式同样的效果。

[数式16]

[数式17]

另外，在上述的实施方式中，对作为炉而应用了在转炉制钢工艺中使用的转炉1的情况进行了说明，但本发明并不限定于此，例如除了冶炼还原炉以外，对于在非铁金属精炼工艺中使用的炉等其他各种炉也能够应用。作为非铁金属精炼工艺，例如可以举出铜熔炼工艺。

此外，在上述的实施方式中，对将天线设置部9的天线设置开口部9a处的直径选定为与罩开口部6的直径d大致相同的大小的情况进行了叙述，但本发明并不限于此，天线设置部9的天线设置开口部9a的直径只要为罩开口部6的直径d以上，也可以设为各种大小(天线设置开口部9a的直径≥罩开口部6的直径d)。

标号说明

1转炉(炉)

3熔渣面

5排气罩

6罩开口部

7开口形成部

7a凸缘上部

9天线设置部

9a天线设置开口部

10水平计测装置

10b水平计算部

11发送天线

12接收天线

Claims

1.一种水平计测装置，计测炉的内部的熔渣面的水平，其特征在于，

具备：

罩开口部，在设置于上述炉的上方的排气罩的、与上述熔渣面对置的位置处被开口；

发送天线，设置在上述罩开口部的上方，经由上述罩开口部朝向上述炉的内部照射微波；

接收天线，与上述发送天线分体地设置在上述罩开口部的上方，经由上述罩开口部接收来自上述炉的内部的反射微波；

透镜部，设在上述发送天线及上述接收天线的各前端，提高上述发送天线及上述接收天线的天线增益；以及

水平计算部，根据上述反射微波计算上述熔渣面的水平；

上述发送天线的直径比上述接收天线的直径大；

当设上述发送天线的直径为φ₁，设上述罩开口部的直径为d时，满足φ₁>d/2。

2.一种水平计测装置，计测炉的内部的熔渣面的水平，其特征在于，

具备：

开口形成部，形成在上述罩开口部的周围，与上述炉的内部连通，并向上方延伸设置；

天线设置部，设置在上述开口形成部的上方；

天线设置开口部，形成在上述天线设置部，与上述罩开口部大致相同直径；

发送天线，设置在上述天线设置开口部，朝向上述炉的内部照射微波；

接收天线，与上述发送天线分体地设置在上述天线设置开口部，接收来自上述炉的内部的反射微波；

透镜部，设置在上述发送天线及上述接收天线的各前端，提高上述发送天线及上述接收天线的天线增益；以及

水平计算部，根据上述反射微波计算上述熔渣面的水平；

上述发送天线的直径比上述接收天线的直径大；

3.如权利要求2所述的水平计测装置，其特征在于，

从上述发送天线的前端到上述开口形成部的高度位置的距离是3～5[m]；

上述发送天线的直径是169～219[mm]。

4.如权利要求2或3所述的水平计测装置，其特征在于，

设上述发送天线的直径为φ₁[m]，则上述接收天线的直径是d－φ₁[m]；

上述罩开口部的直径d[m]满足由下述的式子表示的条件，

[数式1]

其中，λ≤φ₁≤d－λ，

R表示形成作为计测对象的上述熔渣面时的从上述接收天线到上述熔渣面的距离[m]，λ表示上述微波的波长[m]，P_t表示上述微波的发送输出功率[mW]，σ表示上述熔渣面的雷达反射截面积，T表示1[m]附近的上述微波的透过率，η表示上述接收天线的口径效率。

5.如权利要求2或3所述的水平计测装置，其特征在于，

上述发送天线的中心轴和上述罩开口部的中心轴被配置在相同的轴上；

上述接收天线在上述发送天线的周围配置有2个以上。

6.如权利要求5所述的水平计测装置，其特征在于，

上述罩开口部的直径d满足由下述的式子表示的条件，

[数式2]

[数式3]

其中，c表示光速[m/s]，r表示从上述发送天线到上述开口形成部的凸缘上部的高度位置的距离[m]，f表示微波的频率[Hz]。